CN100495885C - 兆瓦级风力发电用双级矩阵变流器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于风力发电技术领域，涉及一种兆瓦级风力发电用双级矩阵变流器，包括电机侧变流器和网侧变流器，其特征在于，所述电机侧变流器和网侧变流器分别由6个结构相同的双向开关构成的三相桥臂并联而成，每个双向开关或者由两个绝缘栅双极晶体管共射极反相串联而成，或者由两个绝缘栅双极晶体管共集电极反向串联而成，所述电机侧变流器和网侧变流器通过直流母线以背靠背的形式相连接。本发明的风力发电机组变流器具有输入输出性能优良、能量传输可逆、直流环节无需储能元件等优点，能够实现风力发电机组转速实时控制以及机组输入输出功率因数调节。

Description

兆瓦级风力发电用双级矩阵变流器
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，涉及一种功率变流器，适合在兆瓦级及其以上大功率风力发电机组中使用。
背景技术
风能是一种随机、不稳定的能源，风力发电是其主要利用形式。近年，风力发电机组单机容量不断增大，变速恒频、变桨距型风力发电机组逐渐占据了风电市场的主导地位。其中，变速恒频双馈风力发电机组可灵活控制有功和无功输出，能够对电网起到无功补偿作用，具有较高的产业化价值。此外，以德国Enercon为首的风电机组制造公司于上世纪末推出了一系列无齿轮箱直驱式风力发电机组。这种机组采用多极风力发电机与风机叶轮直接耦合联接的方式进行旋转传递，免去齿轮箱这一传统部件，降低了机组的运行噪声及运行维护成本，且具有低风速时高效率等多种优点，是风力发电技术尤其是海上风力发电技术的主要发展方向。
在直驱式风力发电机组中，发电机定子通过功率变流器与电网相连以实现变速恒频发电，功率变流器的容量与机组容量相同。西班牙MADE等公司采用如图2所示的主电路结构，风力发电机组吸收的气动功率经不可控整流到达直流母线，而后通过可控逆变转化为符合电网频率的交流电后输送至电网。这种电路虽然成本较低，但不具备调速能力，不能实现对风机转速的实时最优控制，影响风力发电机组的发电效率。为此，美国GE、德国Enercon和Siemens等公司将能够实现能量双向传递的双PWM变流器应用于直驱式风力发电机组中改善机组的发电效率，主电路结构如图3所示。
在风力发电机组采用的功率变流器方面，双馈风力发电机组采用能够实现能量双向流动的双PWM变流器，如图1所示。机组的转子经双PWM变流器与电网联接，流过转子电路的功率为转差功率，降低了变流器成本。通过改变变流器电子器件导通角调节转子电流的幅值、相位和频率可灵活控制有功和无功输出，能够对电网起到无功补偿作用。中国专利申请200710071740.4即提供了一种此种类型的变流器。这种双PWM变流器通常需要在直流母线上并联大容量储能电容(可称之为平波电容)，从而增大了机组的体积和重量；同时大容量的电解电容易产生故障且寿命较短，降低了风电机组的运行可靠性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提出一种兆瓦级风力发电用的大功率变流器，使风力发电机组变流器具有输入输出性能优良、能量传输可逆、直流环节无需储能元件等优点，进而实现风力发电机组转速实时控制以及机组输入输出功率因数调节。
本发明的技术解决方案是：
一种兆瓦级风力发电用双级矩阵变流器，其特征在于所述变流器由电机侧变流器和网侧变流器组成，电机侧变流器与网侧变流器通过直流母线直接相连；所述电机侧变流器实现交流到直流的变换，所述网侧变流器实现直流到交流的变换；所述电机侧变流器和网侧变流器分别由6个结构相同的双向开关构成的三相桥臂并联而成，每个双向开关或者由两个绝缘栅双极晶体管共射极反相串联而成，或者由两个绝缘栅双极晶体管共集电极反向串联而成；所述双级矩阵变流器还具有箝位电路，所述箝位电路由两个二极管整流桥背靠背连接组成，其直流母线上接有电解电容，所述箝位电路的两端分别与电机侧变流器交流端及网侧变流器交流端相连接。
上述技术方案中，所述网侧变流器的交流端输出接至网侧输入滤波电路。
本发明的实质性特点是，改进现有的双PWM变流器结构，利用由两个IGBT共射极反相串联而成或者由两个IGBT共集电极反向串联而成的双向开关代替双PWM变流器中的一个IGBT，并且省去了并联在电机侧变流器和网侧变流器的直流母线上的平波电容。
本发明的瓦级风力发电用双级矩阵变换器，具有输入输出性能优良、能量传输可逆、直流环节无需储能元件等优点，能够实现风力发电机组转速实时控制以及机组输入输出功率因数调节，并能够减小机组的体积和重量，改善其运行可靠性，可以很好地满足兆瓦级及其以上大容量变速恒频双馈风力发电机组及直驱式永磁风力发电机组的应用需求。
与现有技术相比，本发明的优选实施例还在变流器主电路上并联了箝位电路。并联箝位电路的优点是稳定变流器两侧电压：当电机侧产生过流时，吸收电机能量避免对功率器件的冲击；当电网瞬时过压时，箝位网侧变流器的输入电压；当电网电压短时跌落时，为控制电路提供电源，维持控制电路工作，实现低电压不间断运行。
附图说明
图1为转子经双PWM变流器励磁的双馈风力发电机组示意图。
图2为不可控整流可控逆变式直驱式永磁风力发电机组示意图。
图3为可控整流可控逆变式直驱式永磁风力发电机组示意图。
图4为本发明的双向矩阵变流器励磁的双馈风力发电机组示意图。
图5为双向开关结构形式，其中，(a)为IGBT共射极反相串联形式，(b)为IGBT共集电极反向串联形式。
图6为采用本发明的双向矩阵变流器的直驱式永磁风力发电机组示意图。
具体实施方式
下面根据附图和实施例对本发明做进一步详述。
图4为双向矩阵变流器励磁的双馈风力发电机组示意图，变流器主电路1由两个结构完全相同的变流器通过直流母线以背靠背的形式联接组成，根据变流器在风力发电机组中的位置分别称为网侧变流器1a和电机侧变流器1b。电机侧变流器1b的交流端与发电机的输出相联，直流端与网侧变流器1a的直流端直接相接。网侧变流器1a的交流端联接由三相电感及三相电容组成的三相滤波器3，后经三相变压器构成的输入滤波电路联接至电网。电机侧变流器及网侧变流器1a分别包括6个双向开关。双向开关可采用如图5所示的两种结构形式，其中(a)为绝缘栅双极晶体管(IGBT)共射极反相串联形式，(b)为IGBT共集电极反向串联形式，两种结构形式中的IGBT均配有续流二极管。需要说明的是，本发明所采用的功率并不仅限于IGBT，在应用过程中可根据需要选择其它类型的具有开通与关断功能的功率器件。
箝位电路2由两个二极管整流背靠背联接组成，直流母线上接有电解电容。箝位电路的两端分别与电机侧变流器1b交流端及网侧变流器1a交流端相联接。箝位电路的功能实现如下：在变流器的输入与输出端产生过流或过压时，电机侧变换器和网侧变换器的所有双向开关均关断，此时箝位电路2将通过二极管电路贮存来自电机漏电感中的能量，防止感生高电压损坏器件。当电网电压短时跌落时，箝位电路2将通过二极管电路向电容充电贮存风力发电机组的转子动能，同时，该电容作为电源维持控制电路工作。在应用过程中，箝位电路2中的电容可采用电解电容与无感电容或簿膜电容并联，弥补电解电容在高频性能方面的缺陷。
本发明兆瓦级风力发电用双级矩阵变换器结构不仅适用于双馈风力发电机组，而且适用于直驱式永磁风力发电机组，实现功率传递、机组转速实时最优控制以及功率因数的调节，如图6所示。
本发明提出的兆瓦级风力发电用双级矩阵变换器采用双空间矢量调制策略。采用空间矢量调制技术调节网侧变流器1a能够获得正弦输入电流和可调的输入功率因数，降低风力发电机组产生的谐波；采用空间矢量调制技术调节电机侧变流器1b可获得幅值、频率、相位可调的输出电压，实现机组的变速恒频运行以及转速的实时最优调节，并根据电网需求调节机组输出的无功功率。
电机侧变流器1b的6个双向开关合成6个有效的空间电压矢量和2个零状态矢量。参考输出电压矢量由其所处扇区的2个相邻的有效电压矢量及零状态矢量合成，对应开关的导通时间由平行四边形原则得出。网侧变流器1a的空间矢量调制与电机侧变流器1b相似，6个双向开关合成6个有效的空间电流矢量和2个零状态矢量。参考输入电流矢量由其所处扇区的2个相邻的有效电压矢量及零状态矢量合成，对应开关的导通时间由平行四边形原则得出。
需要说明的是，这里以本发明的实施例为中心展开了详细的说明，所描述的优选方式或具体实施方式，应当理解为本说明书仅仅是通过给出实施例的方式来描述发明，实际上在装置构成和使用的某些细节上会有所变化，这些变化和应用都应属于本发明的范围内。此外，本发明所提及的各种器件的实现均可采用常规的器件和设计方法，本领域的技术人员能够不经过创造性劳动实现本发明。

Claims (2)

1.一种兆瓦级风力发电用双级矩阵变流器，其特征在于所述变流器由电机侧变流器和网侧变流器组成，电机侧变流器与网侧变流器通过直流母线直接相连，无需直流环节储能元件；所述电机侧变流器实现交流到直流的变换，所述网侧变流器实现直流到交流的变换；所述电机侧变流器和网侧变流器分别由6个结构相同的双向开关构成的三相桥臂并联而成，每个双向开关或者由两个绝缘栅双极晶体管共射极反相串联而成，或者由两个绝缘栅双极晶体管共集电极反向串联而成；所述双级矩阵变流器还具有箝位电路，所述箝位电路由两个二极管整流桥背靠背连接组成，其直流母线上接有电解电容，所述箝位电路的两端分别与电机侧变流器交流端及网侧变流器交流端相连接。
2.依据权利要求1所述的双级矩阵变流器，其特征在于，所述网侧变流器的交流端输出接至网侧输入滤波电路。
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变速恒频双馈风力发电系统自抗扰控制. 宋战锋.《中国优秀硕士学位论文全文数据库》电子期刊. 2006
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